Inversores monofásicos y topologías

Convertidores CC/CA - Onduladores

Capítulo 5

Convertidores CC/CA - Onduladores o Inversores

5.1

Introducción

Los onduladores o inversores son convertidores estáticos de energía que convierten la corriente continua CC en corriente alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más exactamente, los inversorestransfieren potencia desde una fuente de continua a una carga de alterna. Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser: • • • • Accionamientos de motores de CA de velocidad ajustable. Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de una batería. Hornos de inducción., etc

5.2

Tipos de onduladores o inversores

Suelendistinguirse tres configuraciones o topologías de inversores: con transformador de toma media (“push-pull”), con batería de toma media (medio puente) y configuración en puente completo. Corresponden a las tres formas más razonables de realizar la función de inversión de tensión o corriente suministrada por la fuente de CC con los medios disponibles hoy día en electrónica de potencia. Cada una deellas tiene sus ventajas e inconvenientes, independientemente de los semiconductores empleados en su realización y de su circuitería auxiliar de excitación y bloqueo. Las figuras 5.1 y 5.2 muestran las configuraciones push-pull y medio puente, respectivamente. Junto a cada una de las configuraciones se muestra la forma

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de onda de salida correspondiente a cadauna de ellas. En el caso de la configuración pushpull se debe tener en cuenta la relación de espiras entre cada uno de los primarios (teniendo en cuenta que está en toma media) y el secundario. La topología en medio puente se puede implementar con una batería y dos condensadores en toma media o bien con una batería en toma media. La figura 5.3 muestra la configuración en puente completo cuyofuncionamiento se explicará detalladamente. Del análisis del inversor en puente completo se puede intuir y deducir el funcionamiento de los dos anteriores (push-pull y medio puente).
VAB

1 n
1

A

+ nVCC 0 - nVCC

t

B

S1

VCC

S2

Figura 5.1. Inversor con transformador de toma media o push-pull.

VAB

S1
VCC A
+ VCC/2

S2

0
- VCC/2

t

B

Figura 5.2. Inversor enmedio puente

El inversor monofásico en puente completo El inversor en puente completo está formado por 4 interruptores de potencia totalmente controlados, típicamente transistores MOSFETs o IBGTs, tal y como se muestra en la figura 5.3.

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iS iS1 iS3

S1 A VCC
iS4 + iC

S3
vC

-

B
iS2

RL

S4

S2

Figura 5.3. Inversor en puentecompleto.

S1

VCC

vC =Vcc + iC RL S2

S3

A

-

B

VCC

A S4

vC =Vcc + iC RL

-

B

(a)
S3 + iC vC =0 RL S4

(b)

S1

VCC

A

-

B

VCC

A

+ iC

vC =0 RL

-

B S2

(c)

(d)

Figura 5.4. Circuitos equivalentes del inversor en puente completo: (a) S1 y S2 cerrados. (b) S3 y S4 cerrados. (c) S1 y S3 cerrados. (d) S2 y S4 cerrados.

La tensión desalida vC puede ser + VCC, -VCC, ó 0, dependiendo del estado de los interruptores. Las figuras 5.4a y 5.4d muestran los circuitos equivalentes para algunas de las posibles combinaciones de los interruptores. La tabla siguiente muestra la tensión de salida que se obtiene al cerrar determinadas parejas de interruptores. Interruptores cerrados S1 y S2 S3 y S4 S1 y S3 S2 y S4 Tensión de salida vC +Vcc - Vcc 0 0

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Observe que S1 y S4 no deberían estar cerrados al mismo tiempo, ni tampoco S2 y S3 para evitar un cortocircuito en la fuente de continua. Los interruptores reales no se abren y se cierran instantáneamente, por tanto debe tenerse en cuenta los tiempos de conmutación al diseñar el control de los interruptores. El solapamiento de los tiempos de...